Wärmepumpen sind eine Schlüsseltechnologie der Wärmewende und gelten – da sie Umweltwärme nutzen – grundsätzlich als sehr klimafreundliche Technologie. Viele der bisherigen Geräte nutzen allerdings noch umweltschädliche Kältemittel. Doch es geht auch anders: In einem Forschungsprojekt des Fraunhofer ISE entstand ein Kältekreis-Funktionsmuster für Einfamilienhäuser, das mit klimafreundlicherem Propangas funktioniert und auch im Innenbereich verwendbar ist.
Eigentlich sind Wärmepumpen , die mit dem natürlichen Gas Propan arbeiten, keine absolute Neuheit. Viele Hersteller haben sie inzwischen im Angebot – allerdings meist nur für die Aufstellung im Außenbereich. Der Grund: Für das Kältemittel gelten aufgrund seiner Brennbarkeit umfangreiche Sicherheitsauflagen bei Nutzung in Innenräumen.
Benötigt eine Wärmepumpe mehr als 150 g Kältemittel, darf sie in Innenräumen nur unter Einhaltung hoher, kostenaufwändiger Sicherheitsanforderungen installiert werden. Das betrifft auch Einfamilienhäuser. Diese verlangen üblicherweise Wärmepumpen mit einer Leistung zwischen 5–10 Kilowatt. Bei solchen Anforderungen benötigt die herkömmliche Anlagentechnik in der Regel mehr als 150 g Kältemittel. Die Wärmepumpe darf dann nur im Außenbereich aufgestellt werden.
Fraunhofer-Projekt LC150
Zum „Game-Changer“ könnte eine Neuentwicklung werden, die am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (Fraunhofer ISE) im Rahmen des kürzlich abgeschlossenen Projekts „LC150“ entstanden ist.
„Ziel des Projekts war ein marktnahes Wärmepumpenmodul, das das klimafreundliche Kältemittel Propan nutzt, die 150-Gramm-Grenze für den Innenbereich nicht überschreitet und trotzdem Einfamilienhäuser beheizen kann“, erläutert Dr. Ing. Lena Schnabel, Abteilungsleiterin Wärme und Kältetechnik am Fraunhofer ISE. „Das haben wir in Kooperation mit der Industrie nun erreicht und ihr die Werkzeuge in die Hand gegeben, um eine marktreife Wärmepumpe zu entwickeln.“
Die Forschenden haben zusammen mit einem Konsortium aus Wärmepumpenherstellern einen kältemittelreduzierten Propan-Kältekreis entwickelt. Dieser stellt das Herzstück einer Wärmepumpe dar. Dazu wurden mehr als 20 Kombinationen aus Wärmeübertragern und Verdichtern aufgebaut, vermessen, bewertet und optimiert.
Einer der vielversprechenden Kältekreise erreicht mit einem vollhermetischen Verdichter mit 146 Gramm Propan eine Heizleistung von 11,4 Kilowatt und unterschreitet damit die vorgeschriebene Höchstmenge für den Innenbereich. Pro Kilowatt Heizleistung benötigt das Gerät nur rund ein Fünftel der Propanmenge der bisher am Markt verfügbaren Systeme.
Marktverfügbare Komponenten
Im Rahmen des Projekts entstand als Prototyp eine Erdwärmepumpe – auch Sole/Wasser-Wärmepumpe genannt. Hintergrund: Bei den meisten in Deutschland derzeit verbauten Umweltwärme-Anlagen handelt es sich um Luft-Wärmepumpen, welche die Sonnenenergie anzapfen, die in der Außenluft gespeichert ist. Dieser Anlagentypus, der für gut gedämmte Einfamilienhäuser von durchschnittlicher Größe meist ausreichend Wärme liefert, wird naturgemäß draußen aufgestellt und war daher nicht Gegenstand des Projekts LC150.
Für ihren Erdwärmepumpen -Prototyp verwendete das Forschungsteam marktverfügbare Komponenten. Zum Einsatz kamen etwa asymmetrische Plattenwärmetauscher, die mit weniger Kältemittel auskommen. Zudem konnte der Kältemittelbedarf durch eine reduzierte Ölmenge im Verdichter (Kompressor) deutlich verringert werden. Zusatzbauteile wie Sensoren wurden auf das Nötigste beschränkt und die Rohrleitungen so kurz wie möglich gehalten, um das erforderliche Kältemittelvolumen zu reduzieren.
Wärmepumpen und Treibhausgase
Marktverfügbare Wärmepumpen nutzen bislang oft Kältemittel mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gase), die ein klimaschädigendes Potenzial haben. Die Substanzen sind im Prinzip unbedenklich, solange sie im geschlossenen thermodynamischen Kreisprozess der Wärmepumpe verbleiben. Doch bei der Herstellung, bei der Befüllung und bei Reparaturen können sie eben zum Teil auch in die Atmosphäre gelangen.
Das ist nicht nur ärgerlich, sondern zwingt die Wärmepumpenhersteller auch zum Handeln, weil es für die potenziell klimaschädigenden Substanzen zunehmend Verwendungsverbote gibt. Zwar verbietet die EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase – kurz: F-Gase-Verordnung – bislang nur Kältemittel, deren „Global Warming Potential“ (GWP) 2.500-mal so hoch ist wie der von CO2 (GWP-Wert 1). Doch die Verordnung wird aktuell novelliert. Künftig soll der zulässige GWP-Wert Jahr für Jahr sinken. Das wird bald zu weiteren Kältemittel-Verboten führen.
Propan bietet sich in diesem Zusammenhang als vergleichsweise umweltfreundliche Alternative an. Das Treibhauspotenzial des Gases liegt bei 3. Das ist zwar immer noch dreimal so viel wie der GWP-Wert von CO2, doch zugleich weitaus weniger als bei den herkömmlichen Kältemitteln. Außerdem ist Propan weltweit kostengünstig verfügbar, und beim Abbauprozess entweichen nach Angaben des Fraunhofer ISE keine kritischen per- und polyfluorierten Alkylverbindungen in die Atmosphäre.
Exkurs: Funktion der Kältemittel
In Wärmepumpen haben Kältemittel wie etwa Butan oder Fluorkohlenwasserstoffe eine zentrale Funktion. Sie sorgen dafür, dass die beispielsweise aus dem Erdreich oder dem Grundwasser gewonnene Umweltwärme, deren Temperatur meist nur bei etwa 10 °C liegt, auf ein Niveau angehoben wird, mit dem man Gebäude tatsächlich beheizen kann.
Kältemittel sind extrem flüchtige Stoffe, die bereits bei geringen Temperaturerhöhungen verdampfen und dabei Wärme aufnehmen sowie bei erhöhtem Druck effektiv Wärme abgeben können. Diese Eigenschaften macht man sich für Wärmepumpen zunutze. Deren Kältemittel befindet sich in einem Rohrkreislauf – dem so genannten Verdampfer. Über einen Wärmetauscher gelangt die angezapfte Umweltwärme in den Verdampfer der Wärmepumpe und bringt dort das Kältemittel zum Verdampfen.
Der Dampf wird anschließend zum Verdichter (Kompressor) weitergeleitet, dem zentralen technischen Bestandteil der Wärmepumpe. Dort wird die gasförmige Substanz wieder stark verdichtet, und als Folge davon erhöht sie ihre Temperatur so weit, dass es für Heizzwecke reicht. Über einen weiteren Wärmetauscher gibt das erwärmte Kältemittel einen Großteil der aufgenommenen Wärme an den mit Wasser gefüllten Heizkreislauf des Hauses ab. Dadurch kühlt es ab, kondensiert und fließt im flüssigen Zustand wieder zurück in den Verdampfer, wo der Kreislauf erneut beginnen kann.
Kältemittel sind also ein wesentlicher Bestandteil klassischer Wärmepumpen. Aber die Forschung arbeitet auch bereits an neuartigen, so genannten elektrokalorischen Wärmepumpen, die ganz ohne Kältemittel und damit auch ganz ohne klimaschädliches Treibhausgaspotenzial arbeiten sollen. Stattdessen kommen unbedenkliche Fluide wie zum Beispiel Wasser zum Einsatz. Weitere Infos zu dieser Technologie, die nach Angaben des Fraunhofer ISE ein disruptives Potenzial für die Wärme- und Kältetechnik hat, bietet der BaustoffWissen-Beitrag „ Elektrokalorische Wärmepumpen “.
Neues Projekt für Mehrfamilienhäuser
Beim Projekt LC150 – die Abkürzung steht übrigens für „low charge 150 g“ – ging es um Wärmepumpen-Kältekreise für die Anwendung in Einfamilienhäusern. Nach dem erfolgreichen Abschluss des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projekts will das Fraunhofer ISE nun auch Wärmepumpen mit Propan-Kältemittel für Mehrfamilienhäuser entwickeln.
Im Ende Dezember 2022 gestarteten Projekt „LC R290 – Low charge HP solutions“ versucht das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Heizungsherstellern und der Wohnungswirtschaft einfach anwendbare und multiplizierbare Lösungen für den Austausch von Gas- und Ölheizungen in Mehrfamilienhäusern zu entwickeln. Dabei streben die Projektpartner Wärmepumpen-Lösungen für drei Anwendungsfelder an: Etagenheizungen, innen aufgestellte Zentralheizungen sowie außen aufgestellte Wärmepumpen mit höheren Leistungswerten.
Dieser Text ist eine Aktualisierung des BaustoffWissen-Beitrags „Fraunhofer: Klimafreundlichere Wärmepumpe“ von Januar 2020.
